CN108565276B - 一种宽光谱响应光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电探测技术领域，具体为一种宽光谱响应光电探测器,包括第一探测单元(2)、连接单元(3)、和第二探测单元(4)，其特征在于：所述第一探测单元(2)设置在透明导电基底(1)之上，且其波长响应范围为从近紫外光到可见光，所述透明导电基底(1)为四层结构，包括第一玻璃基底(101)、第二介质层(102)、第三透明金属层(103)和第四介质层(104)，且所述第二介质层(102)层叠在第一玻璃基底(101)之上，所述第三透明金属层(103)层叠在第二介质层(102)之上，所述第四介质层(104)层叠在第三透明金属层(103)之上。
Description
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，具体为一种宽光谱响应光电探测器。
背景技术
光探测器是一种新型的探测技术，广泛应用于环境监测、天文学、国防军事和天际通信等领域。目前使用的光探测器主要以光电二极管为主，其体积较大，工作电压高，设备昂贵。有机光电探测器由于具有柔性、廉价和易于集成等众多优点，它在消费类电子产品、家用器具、智能建筑照明、工业、生产安全、卫生保健和生命科学、环境、玩具和教育等领域将有广泛的应用。
受限与有机光电材料的吸收波段，传统的有机光电探测器响应波长覆盖范围窄，无法做到紫外、可见与近红外全波段的光电响应。例如中国发明专利“CN201010298900.0平面构型有机红外或紫外光伏半导体探测器”公开的有机光电探测器，其光电响应范围只能在紫外区域或者红外区域，在其他波段没有响应。从紫外-可见到近红外都有响应的全波段光电探测器的创新具备重要的产业和研究意义。但是目前报道的紫外-可见到近红外都有响应的全波段光电探测器的响应度都较低。
所以提供一种高响应度的宽光谱响应光电探测器成为我们要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高响应度的宽光谱响应光电探测器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种宽光谱响应光电探测器，包括第一探测单元、连接单元、和第二探测单元，其特征在于：所述第一探测单元设置在透明导电基底之上，且其波长响应范围为从近紫外光到可见光，所述透明导电基底为四层结构，包括第一玻璃基底、第二介质层、第三透明金属层和第四介质层，且所述第二介质层层叠在第一玻璃基底之上，所述第三透明金属层层叠在第二介质层之上，所述第四介质层层叠在第三透明金属层之上，所述第一探测单元为PIN型结构，包括第一P型层，第一I型层和第一N型层，且所述的第一P型层，第一I型层和第一N型层呈依次层叠结构，所述第二探测单元设置在连接单元之上，且其波长响应范围为从可见光到近红外光，第二探测单元为NIP型结构，包括第二N型层、第二I型层、第二P型层和不透明电极层，且所述的第二N型层、第二I型层、第二P型层和不透明电极层呈依次层叠结构，所述连接单元为石墨烯，石墨烯层的厚度为10-50nm，且从连接单元引出导线作为宽光谱响应光电探测器的阴极，所述的透明导电基底的第三透明金属层与第二探测单元的不透明电极层使用导线连接，共同作为宽光谱响应光电探测器的阳极。
作为优选的，所述第一玻璃基底的厚度0.5-7，所述第二介质层为PEDOT:PSS与TAPC的复合材料制备而成，其中PEDOT:PSS与TAPC的摩尔比为6：(1-3)，所述第二介质层的厚度为50-70nm，所述第三透明金属层为铝和锗的合金，其中铝与锗的摩尔比为9：(1-2)，第三透明金属层的厚度为10-30nm，所述第四介质层为MoO3与TAPC的复合材料制备而成，其中MoO3与TAPC的摩尔比为8：(1-2)，所述第四介质层的厚度为30-60nm。
作为优选的，所述第一P型层为空穴传输型有机材料，且空穴传输型有机材料的禁带宽度大于2eV，所述第一P型层的厚度为20-50nm，所述第一N型层为电子传输型有机材料，且电子传输型有机材料的禁带宽度大于2.4eV，所述第一N型层的厚度为20-50nm，所述的第一I型层为三元复合结构，包括摩尔比为0.5：0.5：1的第一P型层材料、第一N型层材料和可见紫外光敏层材料，所述的可见紫外光敏层材料的禁带宽度范围为2-3.2eV。
作为优选的，所述第二N型层为电子传输型有机材料，且电子传输型有机材料的禁带宽度大于2.4eV，所述第二N型层的厚度为20-50nm，所述第二P型层为空穴传输型有机材料，且空穴传输型有机材料的禁带宽度大于2eV，所述第二P型层的厚度为20-50nm，所述的第二I型层为三元复合结构，包括摩尔比为0.5：0.5：1的第二I型层材料、第二N型层材料和可见红外光敏层材料，所述的可见红外光敏层材料的禁带宽度范围为1-2eV。
作为优选的，所述的不透明电极层为三层复合结构，包括第一不透明电极层、第二不透明电极层和第三不透明电极层，所述的第一不透明电极层为WO3，第一不透明电极层的厚度2-40nm，所述的第二不透明电极层为Au，第二不透明电极层的厚度40-1000nm，所述的第三不透明电极层为Al2O3，第三不透明电极层的厚度20-50nm，且第三不透明电极层采用原子层沉积技术制备。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过器件整体结构和透明导电基底、第一探测单元、连接单元和第二探测单元的配合设计，可以提供一种宽光谱响应的光电探测器，并提高探测器的响应度。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明结构透明导电基底示意图；
图3为本发明结构第一探测单元结构示意图；
图4为本发明结构第二探测单元结构示意图；
图5为本发明结构不透明电极层结构示意图。
图中：1-透明导电基底，2-第一探测单元，3-连接单元,4-第二探测单元,101-第一玻璃基底,102-第二介质层,103-第三透明金属层,104-第四介质层,201-第一P型层,202-第一I型层,203-第一N型层,401-第二N型层,402-第二I型层,403-第二P型层,404-不透明电极层，4041-第一不透明电极层、4042-第二不透明电极层、4043-第三不透明电极层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种宽光谱响应光电探测器，包括第一探测单元2、连接单元3、和第二探测单元4，第一探测单元2设置在透明导电基底1之上，且其波长响应范围为从近紫外光到可见光，所述透明导电基底1为四层结构，包括第一玻璃基底101、第二介质层102、第三透明金属层103和第四介质层104，且第二介质层102层叠在第一玻璃基底101之上，第三透明金属层103层叠在第二介质层102之上，第四介质层104层叠在第三透明金属层103之上，第一探测单元2为PIN型结构，包括第一P型层201，第一I型层202和第一N型层203，第一P型层201，第一I型层202和第一N型层203呈依次层叠结构，第二探测单元4设置在连接单元3之上，且其波长响应范围为从可见光到近红外光，第二探测单元4为NIP型结构，包括第二N型层401、第二I型层402、第二P型层403和不透明电极层404，且所述的第二N型层401、第二I型层402、第二P型层403和不透明电极层404呈依次层叠结构，连接单元3为石墨烯，石墨烯层的厚度为10-50nm，且从连接单元3引出导线作为宽光谱响应光电探测器的阴极，透明导电基底1的第三透明金属层103与第二探测单元4的不透明电极层404使用导线连接，共同作为宽光谱响应光电探测器的阳极；第一玻璃基底101的厚度0.5-7mm，第二介质层102为PEDOT:PSS与TAPC的复合材料制备而成，其中PEDOT:PSS与TAPC的摩尔比为6：(1-3)，第二介质层102的厚度为50-70nm，所述第三透明金属层103为铝和锗的合金，其中铝与锗的摩尔比为9：(1-2)，第三透明金属层103的厚度为10-30nm，第四介质层104为MoO3与TAPC的复合材料制备而成，其中MoO3与TAPC的摩尔比为8：(1-2)，第四介质层104的厚度为30-60nm；第一P型层201为空穴传输型有机材料，且空穴传输型有机材料的禁带宽度大于2eV，第一P型层201的厚度为20-50nm，第一N型层203为电子传输型有机材料，且电子传输型有机材料的禁带宽度大于2.4eV，第一N型层203的厚度为20-50nm，第一I型层202为三元复合结构，包括摩尔比为0.5：0.5：1的第一P型层201材料、第一N型层203材料和可见紫外光敏层材料，可见紫外光敏层材料的禁带宽度范围为2-3.2eV；第二N型层401为电子传输型有机材料，且电子传输型有机材料的禁带宽度大于2.4eV，第二N型层401的厚度为20-50nm，第二P型层403为空穴传输型有机材料，且空穴传输型有机材料的禁带宽度大于2eV，第二P型层403的厚度为20-50nm，第二I型层402为三元复合结构，包括摩尔比为0.5：0.5：1的第二P型层403材料、第二N型层401材料和可见红外光敏层材料，所述的可见红外光敏层材料的禁带宽度范围为1-2eV；不透明电极层404为三层复合结构，包括第一不透明电极层4041、第二不透明电极层4042和第三不透明电极层4043，第一不透明电极层4041为WO3，第一不透明电极层的厚度2-40nm，第二不透明电极层4042为Au，第二不透明电极层的厚度40-1000nm，第三不透明电极层4043为Al2O3，第三不透明电极层的厚度20-50nm，且第三不透明电极层4043采用原子层沉积技术制备。
实施例一
一种宽光谱响应光电探测器，包括第一探测单元2、连接单元3、和第二探测单元4，第一探测单元2设置在透明导电基底1之上，且其波长响应范围为从近紫外光到可见光，所述透明导电基底1为四层结构，包括第一玻璃基底101、第二介质层102、第三透明金属层103和第四介质层104，且第二介质层102层叠在第一玻璃基底101之上，第三透明金属层103层叠在第二介质层102之上，第四介质层104层叠在第三透明金属层103之上，第一探测单元2为PIN型结构，包括第一P型层201，第一I型层202和第一N型层203，第一P型层201，第一I型层202和第一N型层203呈依次层叠结构，第二探测单元4设置在连接单元3之上，且其波长响应范围为从可见光到近红外光，第二探测单元4为NIP型结构，包括第二N型层401、第二I型层402、第二P型层403和不透明电极层404，且所述的第二N型层401、第二I型层402、第二P型层403和不透明电极层404呈依次层叠结构，连接单元3为石墨烯，石墨烯层的厚度为10nm，且从连接单元3引出导线作为宽光谱响应光电探测器的阴极，透明导电基底1的第三透明金属层103与第二探测单元4的不透明电极层404使用导线连接，共同作为宽光谱响应光电探测器的阳极；第一玻璃基底101的厚度0.5mm，第二介质层102为PEDOT:PSS与TAPC的复合材料制备而成，其中PEDOT:PSS与TAPC的摩尔比为6：1，第二介质层102的厚度为50nm，所述第三透明金属层103为铝和锗的合金，其中铝与锗的摩尔比为9：1，第三透明金属层103的厚度为10nm，第四介质层104为MoO3与TAPC的复合材料制备而成，其中MoO3与TAPC的摩尔比为8：1，第四介质层104的厚度为30nm；第一P型层201为空穴传输型有机材料NPB，所述第一P型层201的厚度为20nm，第一N型层203为电子传输型有机材料BPhen，第一N型层203的厚度为20nm，第一I型层202为三元复合结构，包括摩尔比为0.5：0.5：1的NPB、BPhen和可见紫外光敏层材料CuPc，第二N型层401为BCP，第二N型层401的厚度为20nm，第二P型层403为空穴传输型有机材料TPD，第二P型层403的厚度为20nm，第二I型层402为三元复合结构，包括摩尔比为0.5：0.5：1的第二P型层403材料、第二N型层401材料和可见红外光敏层材料，所述的可见红外光敏层材料为PbPc；所述的不透明电极层404为三层复合结构，包括第一不透明电极层4041、第二不透明电极层4042和第三不透明电极层4043，所述的第一不透明电极层4041为WO3，第一不透明电极层的厚度2nm，所述的第二不透明电极层4042为Au，第二不透明电极层的厚度40nm，所述的第三不透明电极层4043为Al2O3，第三不透明电极层的厚度20nm，且第三不透明电极层4043采用原子层沉积技术制备。本实施例中探测器的光谱响应范围300-900nm，在300-900nm的最低探测率达到1.2*1011琼斯。
实施例二
一种宽光谱响应光电探测器，包括第一探测单元2、连接单元3、和第二探测单元4，第一探测单元2设置在透明导电基底1之上，且其波长响应范围为从近紫外光到可见光，所述透明导电基底1为四层结构，包括第一玻璃基底101、第二介质层102、第三透明金属层103和第四介质层104，且第二介质层102层叠在第一玻璃基底101之上，第三透明金属层103层叠在第二介质层102之上，第四介质层104层叠在第三透明金属层103之上，第一探测单元2为PIN型结构，包括第一P型层201，第一I型层202和第一N型层203，第一P型层201，第一I型层202和第一N型层203呈依次层叠结构，第二探测单元4设置在连接单元3之上，且其波长响应范围为从可见光到近红外光，第二探测单元4为NIP型结构，包括第二N型层401、第二I型层402、第二P型层403和不透明电极层404，且所述的第二N型层401、第二I型层402、第二P型层403和不透明电极层404呈依次层叠结构，连接单元3为石墨烯，石墨烯层的厚度为25nm，且从连接单元3引出导线作为宽光谱响应光电探测器的阴极，透明导电基底1的第三透明金属层103与第二探测单元4的不透明电极层404使用导线连接，共同作为宽光谱响应光电探测器的阳极；第一玻璃基底101的厚度3mm，第二介质层102为PEDOT:PSS与TAPC的复合材料制备而成，其中PEDOT:PSS与TAPC的摩尔比为6：2，第二介质层102的厚度为60nm，所述第三透明金属层103为铝和锗的合金，其中铝与锗的摩尔比为9：1.5，第三透明金属层103的厚度为20nm，第四介质层104为MoO3与TAPC的复合材料制备而成，其中MoO3与TAPC的摩尔比为8：1.5，第四介质层104的厚度为45nm；第一P型层201为空穴传输型有机材料Rubrene，第一P型层201的厚度为30nm，第一N型层203为电子传输型有机材料AlQ3，第一N型层203的厚度为30nm，第一I型层202为三元复合结构，包括摩尔比为0.5：0.5：1的第一P型层201材料Rubrene、第一N型层203材料AlQ3和可见紫外光敏层材料SubPc；第二N型层401为电子传输型有机材料TPBI，第二N型层401的厚度为30nm，第二P型层403为空穴传输型有机材料TBD，第二P型层403的厚度为40nm，第二I型层402为三元复合结构，包括摩尔比为0.5：0.5：1的第二P型层402材料TBD、第二N型层401材料TPBI和可见红外光敏层材料ClAlPc；不透明电极层404为三层复合结构，包括第一不透明电极层4041、第二不透明电极层4042和第三不透明电极层4043，第一不透明电极层4041为WO3，第一不透明电极层的厚度10nm，第二不透明电极层4042为Au，第二不透明电极层的厚度200nm，第三不透明电极层4043为Al2O3，第三不透明电极层的厚度40nm，且第三不透明电极层4043采用原子层沉积技术制备。本实施例中探测器的光谱响应范围300-100nm，在300-100nm的最低探测率达到2.4*1011琼斯。
实施例三
一种宽光谱响应光电探测器，包括第一探测单元2、连接单元3、和第二探测单元4，第一探测单元2设置在透明导电基底1之上，且其波长响应范围为从近紫外光到可见光，所述透明导电基底1为四层结构，包括第一玻璃基底101、第二介质层102、第三透明金属层103和第四介质层104，且第二介质层102层叠在第一玻璃基底101之上，第三透明金属层103层叠在第二介质层102之上，第四介质层104层叠在第三透明金属层103之上，第一探测单元2为PIN型结构，包括第一P型层201，第一I型层202和第一N型层203，第一P型层201，第一I型层202和第一N型层203呈依次层叠结构，第二探测单元4设置在连接单元3之上，且其波长响应范围为从可见光到近红外光，第二探测单元4为NIP型结构，包括第二N型层401、第二I型层402、第二P型层403和不透明电极层404，且所述的第二N型层401、第二I型层402、第二P型层403和不透明电极层404呈依次层叠结构，连接单元3为石墨烯，石墨烯层的厚度为10-50nm，且从连接单元3引出导线作为宽光谱响应光电探测器的阴极，透明导电基底1的第三透明金属层103与第二探测单元4的不透明电极层404使用导线连接，共同作为宽光谱响应光电探测器的阳极；第一玻璃基底101的厚度7mm，第二介质层102为PEDOT:PSS与TAPC的复合材料制备而成，其中PEDOT:PSS与TAPC的摩尔比为6：3，第二介质层102的厚度为70nm，第三透明金属层103为铝和锗的合金，其中铝与锗的摩尔比为9：2，第三透明金属层103的厚度为30nm，第四介质层104为MoO3与TAPC的复合材料制备而成，其中MoO3与TAPC的摩尔比为8：2，第四介质层104的厚度为60nm；第一P型层201为空穴传输型有机材料2-TNATA，第一P型层201的厚度为50nm，第一N型层203为电子传输型有机材料BAlq，第一N型层203的厚度为50nm，第一I型层202为三元复合结构，包括摩尔比为0.5：0.5：1的第一P型层201材料2-TNATA、第一N型层203材料BAlq和可见紫外光敏层材料rubrene；第二N型层401为电子传输型有机材料BCP，第二N型层401的厚度为50nm，第二P型层403为空穴传输型有机材料TAPC，第二P型层403的厚度为50nm，第二I型层402为三元复合结构，包括摩尔比为0.5：0.5：1的第二P型层402材料TAPC、第二N型层401材料BCP和可见红外光敏层材料TiOPc；不透明电极层404为三层复合结构，包括第一不透明电极层4041、第二不透明电极层4042和第三不透明电极层4043，第一不透明电极层4041为WO3，第一不透明电极层的厚度40nm，第二不透明电极层4042为Au，第二不透明电极层的厚度1000nm，第三不透明电极层4043为Al2O3，第三不透明电极层的厚度50nm，且第三不透明电极层4043采用原子层沉积技术制备。本实施例中探测器的光谱响应范围300-1100nm，在300-1100nm的最低探测率达到3.3*1011琼斯。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种宽光谱响应光电探测器，包括第一探测单元(2)、连接单元(3)、和第二探测单元(4)，其特征在于：所述第一探测单元(2)设置在透明导电基底(1)之上，且其波长响应范围为从近紫外光到可见光，所述透明导电基底(1)为四层结构，包括第一玻璃基底(101)、第二介质层(102)、第三透明金属层(103)和第四介质层(104)，且所述第二介质层(102)层叠在第一玻璃基底(101)之上，所述第三透明金属层(103)层叠在第二介质层(102)之上，所述第四介质层(104)层叠在第三透明金属层(103)之上，所述第一探测单元(2)为PIN型结构，包括第一P型层(201)，第一I型层(202)和第一N型层(203)，且所述的第一P型层(201)，第一I型层(202)和第一N型层(203)呈依次层叠结构，所述第二探测单元(4)设置在连接单元(3)之上，且其波长响应范围为从可见光到近红外光，第二探测单元(4)为NIP型结构，包括第二N型层(401)、第二I型层(402)、第二P型层(403)和不透明电极层(404)，且所述的第二N型层(401)、第二I型层(402)、第二P型层(403)和不透明电极层(404)呈依次层叠结构，所述连接单元(3)为石墨烯，石墨烯层的厚度为10-50nm，且从连接单元(3)引出导线作为宽光谱响应光电探测器的阴极，所述的透明导电基底(1)的第三透明金属层(103)与第二探测单元(4)的不透明电极层(404)使用导线连接，共同作为宽光谱响应光电探测器的阳极。
2.根据权利要求1所述的一种宽光谱响应光电探测器，其特征在于：所述第一玻璃基底(101)的厚度0.5-7mm，所述第二介质层(102)为PEDOT:PSS与TAPC的复合材料制备而成，其中PEDOT:PSS与TAPC的摩尔比为6：(1-3)，所述第二介质层(102)的厚度为50-70nm，所述第三透明金属层(103)为铝和锗的合金，其中铝与锗的摩尔比为9：(1-2)，第三透明金属层(103)的厚度为10-30nm，所述第四介质层(104)为MoO3与TAPC的复合材料制备而成，其中MoO3与TAPC的摩尔比为8：(1-2)，所述第四介质层(104)的厚度为30-60nm。
3.根据权利要求1所述的一种宽光谱响应光电探测器，其特征在于：所述第一P型层(201)为空穴传输型有机材料，且空穴传输型有机材料的禁带宽度大于2eV，所述第一P型层(201)的厚度为20-50nm，所述第一N型层(203)为电子传输型有机材料，且电子传输型有机材料的禁带宽度大于2.4eV，所述第一N型层(203)的厚度为20-50nm，所述的第一I型层(202)为三元复合结构，包括摩尔比为0.5：0.5：1的第一P型层(201)材料、第一N型层(203)材料和可见紫外光敏层材料，所述的可见紫外光敏层材料的禁带宽度范围为2-3.2eV。
4.根据权利要求1所述的一种宽光谱响应光电探测器，其特征在于：所述第二N型层(401)为电子传输型有机材料，且电子传输型有机材料的禁带宽度大于2.4eV，所述第二N型层(401)的厚度为20-50nm，所述第二P型层(403)为空穴传输型有机材料，且空穴传输型有机材料的禁带宽度大于2eV，所述第二P型层(403)的厚度为20-50nm，所述的第二I型层(402)为三元复合结构，包括摩尔比为0.5：0.5：1的第二P型层(403)材料、第二N型层(401)材料和可见红外光敏层材料，所述的可见红外光敏层材料的禁带宽度范围为1-2eV。
5.根据权利要求1所述的一种宽光谱响应光电探测器，其特征在于：所述的不透明电极层(404)为三层复合结构，包括第一不透明电极层(4041)、第二不透明电极层(4042)和第三不透明电极层(4043)，所述的第一不透明电极层(4041)为WO3，第一不透明电极层的厚度2-40nm，所述的第二不透明电极层(4042)为Au，第二不透明电极层的厚度40-1000nm，所述的第三不透明电极层(4043)为Al2O3，第三不透明电极层的厚度20-50nm，且第三不透明电极层(4043)采用原子层沉积技术制备。
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